导读

随着5G通讯、人工智能（AI）等技术的不断革新，虚拟现实（VR）和增强现实（AR）等新应用不断涌现，导致数据量呈现爆发式的增长，得益于大容量数据通信场景的日益增加以及新需求、新应用的出现，硅基光电子技术已逐渐从学术研究驱动转变为市场需求驱动。从大规模商业化应用和技术发展的趋势来看，硅光子已从分立的功能器件研究向集成化芯片演进。硅光子集成技术与CMOS工艺的兼容性，使得集成芯片具备大规模生产的可能，因此被认为是光子技术的最终解决方案。近年来，硅基光电集成取得了一些令人振奋的成果，如硅基光波导、硅基调制器、硅基探测器等均已实现，但真正实用的硅基光源仍悬而未决，其主要技术瓶颈是因为在间接带隙硅半导体中，载流子直接跃迁复合的发光效率很低，难以实现高效率的硅基发光器件。虽然外部光源和混合集成片上光源具有较高的发光效率，容易实现连续或者可调激光输出，但集成度不高、制备工艺复杂、与CMOS工艺不兼容、系统成本昂贵。单片集成片上光源具有集成度高、损耗小、与CMOS兼容等优点，研制高效的单片硅基光源，将会极大地推动硅基光电芯片的发展，实现CMOS兼容的低功耗、低损耗、高传输速率的硅基光电芯片，促进硅基光电子集成的发展。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣教授团队基于“万能离子刀”剥离与转移技术制备的晶圆级硅基InP异质衬底外延生长III-V材料实现了硅基激光器的单片集成，展示出了“万能离子刀”剥离技术和外延生长的完美结合，证明了该方法是实现失配异质材料集成的一种高效、低成本的技术路线。基于该种方法，实现的电泵浦连续波1.55 μm硅基激光器的性能达到了同类型同波段器件国际领先的水平，室温阈值电流密度为0.65 kA/cm²，单面输出功率超过155 mW，并实现了超过120℃的连续激光和130℃以上的脉冲激光激射。该种技术并不受限于材料间的物理失配，可适用于其他材料体系，这也将为实现多功能光电子集成提供新的路径。

创新研究

本研究基于“万能离子刀”剥离技术，实现了4英寸高质量硅基InP异质衬底晶圆（见图1），结合同质外延技术，基于硅基InP异质衬底外延1.55 mm激光器结构，从而实现在“异质”衬底上的“同质”外延效果的单片集成片上光源。得益于高质量的硅基InP异质衬底，外延后并未出现明显缺陷，实现了低表面粗糙度、高质量的硅基激光器结构，基于此技术路线在晶圆级异质衬底上制备了法布里-珀罗腔（FP）C波段激光器（见图2）。

图1 离子束剥离制备硅基InP衬底流程及外延后材料质量表征

图2 晶圆级硅基InP上激光器

鉴于高质量的硅基InP异质衬底，所制备的硅基片上激光器的阈值电流密度以及输出功率与体材料器件接近，在CW模式下最高工作温度可达120 ℃，甚至超过体材料激光器。随着温度逐渐升高，由于硅具有更高的导热系数，所制备的硅基片上激光器相较于体材料激光器的自热效应更小。该激光器具有较低的阈值电流密度(0.65 kA/cm²)，且阈值电流密度可与采用其他方法集成的1.55 μm硅基激光器的最佳结果(600A/cm²)相比较。

图3 基于离子束剥离的硅基激光器性能表征

该文章在线发表在国际顶级学术期刊《Light: Science & Applications》上，题目为“High-power, electrically-driven continuous-wave 1.55-mm Si-based multi-quantum well lasers with a wide operating temperature range grown on wafer-scale InP-on-Si (100) heterogeneous substrate”。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01389-2